落帘涂布技术

落帘涂布技术
摘要: 落帘涂布已成功应用于感光材料制造业的多层精密涂布中。

与其它涂布方式相比, 落帘涂布主要有以下几方面的优点: (1) 由于落帘冲击速度非常大, 抵消了支持上下波动的影响, 同时也减弱了空气P液体界面间因剪切的不稳定影响, 所以它可以达到的涂布速度更高; (2) 由于落帘涂布充分利用了支持体速度和液帘冲击速度的比值, 所以可以涂得更薄; (3) 由于在靠近落帘冲击区没有刚性设备元件, 所以不会产生像坡流涂布方式那样的连续性涂布弊病。

另外, 由于与其它涂布方式的工艺不同, 所以落帘涂布有不同的启动方式, 并需要一些特殊的部件。

关键词: 落帘涂布; 预计量; 落帘冲击区; 动态润湿线; 落帘边导; 空气边界层挡板; 应用极限
1 落帘涂布发展概况
落帘涂布属于预计量涂布的类型。

目前, 它在感光材料制造业的多层精密涂布中已得到广泛应用。

然而, 从历史看, 现代落帘涂布的复杂技术,是从简单的原始技术发展起来的。

此技术最早的工业应用发现于1903 年Taylor发表的一篇法国专利中, 他用溶化的巧克力从一个狭缝中流出形成一个帘, 然后均匀涂在糖果核上。

直到上世纪60 年代,这种技术才应用于涂布片状物和单页材料。

1960年, Cox 设计了溢流堰式和定形槽孔式2 种形成落帘的设备, 仅限于单层涂布。

现代多层落帘涂布技术专利权最初属柯达公司, D1J1Hughes 和J ·F·Greiller 于1968 年6 月各自申请了关于落帘涂布工艺的专利。

柯达从1979 年就开始采用此技术。

由于基本专利权已经过期, 其它工厂也可以使用此技术, 实际上富士、阿克发公司也早已应用这项技术。

落帘技术在中国申请的专利有5 项, 有2 项已终止, 1 份已视撤, 1 份公开, 只有1 份关于边缘导件和处理厚边的2004 年到期。

下面就是一个早期坡流型落帘涂布咀示意图:
2 落帘涂布的特点[2 ] :
落帘涂布是3 种杰出的预计量涂布方式之一,其湿涂层厚度就是单位体积流量与支持体速度的比例关系:
Hwet = QPU
它有2 个显著优点, 一是涂层薄, 二是涂布速度快。

首先, 涂层薄是通过
涂布咀和运动支持体之间的大距离和下落液帘的冲击实现的。

一般情况下, 此冲击速度比支持体运动的垂直速度分量高得多, 冲击速度削弱了支持体上下波动
的影响, 同时也减弱了空气P液体界面间因剪切引发的不稳定影响, 所以它可
以用更高的速度生产。

其次, 在涂液横向分布的过程和涂液作用到移动支持体上的过程, 在落帘涂布应用上是分隔开的。

利用支持体速度和液帘冲击速度的比值, 才可以涂得更薄。

坡流涂布的总湿厚度> 35μm , 落帘涂布的总湿厚度可以< 10μm。

由于形成落帘需要一定的质量, 即单位体积流量, 所以液帘本身不能太薄, 它的薄是靠支持体高速度拉伸形成的; 正因为涂层薄, 冷凝效率提高, 干燥负
荷相对减轻, 就允许较短的干燥片路开较高的车速。

第三, 在靠近落帘冲击区没
有刚性设备元件, 如刮刀、涂布辊、涂布咀的唇口等容易干扰涂布质量的装置, 不会因物料气流、杂质引起连续性弊病, 还无需避让支持体接头。

虽然落帘涂布适合于现代化大规模生产, 但它也存在一些难点, 如单位体积流量低到一定程度,下落液帘会破裂; 需要有稳定落帘的重要附属部件, 这些部件易造成厚边; 自由落帘易受外界干扰。

3 工艺描述[ 2 ]
落帘涂布涂液在支持体上横向均匀分布也是靠涂布咀实现, 只是因流量增大, 其限流狭缝(me2tering slot , 也称阻流间隙) 尺寸稍宽。

影响因素有模具腔体和限流狭缝的几何尺寸, 涂液的流变特性, 体积流量P涂布宽度, 涂布条件下的等温分布,限流狭缝的机械精度等。

条缝式落帘最多一次涂3 层, 坡流式落帘一次可涂10 层以上。

与坡流涂布咀显著的差别是其第一片堰板前一曲率半径20～40mm 的弧石引导液膜流动(图2) 。

当涂液以一定质量离开模具, 形成自由落下的液帘, 它的驱动和加速度是由于重力作用的结果。

一般自由落下50～100mm 后冲击到移动的支持体上, 落帘高度最高达250mm (图3) 。

为形成并保持落帘, 一定的流量是必要的, 除
了那些自身拥有很小的表面张力的物料, 如有机溶
剂。

这个最小流量接近015cm2Ps·cm , 工业生产
时, 为了落帘稳定, 这个最小流量还要加倍到
110cm2Ps·cm , 即每公分宽度、每分钟的流量达到
60cm3 。

311 帘形成区[1 ]
Kistler (1983) 分析了采用坡流供料型咀的帘形成流场, 液帘流动轨迹受重力、惯性和毛细管压力控制。

在静态接触线处存在特殊性, 此处流速突然加快, 导致唇部受力不均匀, 使液帘向唇下方偏移, 即“壶咀效应”现象之一。

现象之二是唇下面的润湿, 它引起了流体迟滞现象。

现象之三是引起前进接触角和后退接触角不同的传统的润湿滞后(因液界面取代固气界面后形成的接触角叫做前进角; 气固界面取代固液界面后形成的接触角叫做后退角。

通常前进角大于后退角。

) , 这里有其表面粗糙和不均匀的物理原因, 也有由于急转弯的存在造成的混淆。

在坡流供料型的落帘涂布中, 这一系列现象不仅有其理论意义, 而且有相当的实践重要性。

经过急转弯处形成直的润湿线, 是保持落帘均匀的关键。

当静态润湿线在急转弯处保持静止时, 每单位宽的流量Q 或等效雷诺数Re =ρQPμ是关键变量。

唇下方和斜面之间的反向角对消除经过急转弯的润湿非常
有效图4 。

3.2 液帘的流动区
在成功的落帘涂布工艺中, 影响自由下落帘流动的最大因素是液帘落到支持体上的最终速度。

在一定流动区内, 毛细管力能传递来自冲击区的递流影响, 并且向支持体运动方向拖动液帘, 产生一个向前的弯曲轨迹, 这称为拽拉膜现象。

当流量低, 液帘不高时, 可能会观察到这种现象。

此现象会引起膜破裂, 因此限制了可操作性。

3.3 冲击区
落帘冲击区剖面像只脚, 并有个踵部。

图中H c 为落帘截面厚度; V 为落帘冲击速度; U 为支持体速度; α为冲击角; Lσ为边界层长度。

动态润湿线位于落帘背面的底部。

Lσ的长短影响冲击作用力的大小, 它依赖于以下因素: 涂液密度、流变性、表面张力、湿厚度、R e 、U P V 落帘高度和冲击角。

冲击角的定义: 当帘向上运动时α为负值, 帘向下运动时α为正值(图5) 。

这里的雷诺数R e =ρQ Pμ、支持体的速度U和落帘冲击速度V 的比值U P V 成为决定性参数。

雷诺数大或速率比低, 能促使动态润湿线向上和踵部形成明显; R e 数小或U P V 比值大时, 动态润湿线向下, 可形成拽拉的落帘(图6) 。

随着踵部的增加, 涂液稍有“堆积”, 会含有一个或几个再循环涡流, 引起涂布条道。

向下游拉拽冲击帘的现象, 与操作极限即大量可见的夹杂空气密切相关。

4 某些干扰对落帘的影响
要想得到一个稳定的液帘, 首先要有良好的落帘涂布条件。

当涂液流量低时, 液帘有可能脱离边导杆或分成裂开的液流; 当进一步降低流量, 涂液会一滴滴
从唇边滴下。

液帘踵部的膜厚, 最多是最终涂布厚度的几倍, 它小于其它涂布咀方式的涂布弯月面厚度, 因此低速形成薄膜时, 落帘涂布不如也可用来多层涂
布的坡流涂布方式。

实验结果表明, 液体粘性有一个优化范围, 而且表面活性剂在稳定落帘方
面具有重要作用。

对坡流式落帘涂布而言, 其坡流面上的流动与坡流涂布相似, 强调液—液铺展和底层之上各层有相近的流速, 且总体上粘性可上升一些, 达
到数百mpas。

但是, 对各层表面张力的要求, 强调动态表面张力在表面龄10ms 时低于40mN/ m , 层间表面张力匹配也强调动态表面张力值, 特别是落帘的背
面一层, 亦即坡流面上最下层的表面张力, 因为它既有扩散速度问题, 也有与
空气形成界面的问题, 所以它的动态表面张力也应略低于坡流面上的第2 层。

有人分析了落帘的稳定性, 水球稳定性分析的依据是自由边缘是简单的冲量平
衡。

自由边缘是由液帘上形成的孔(如气泡) 产生的。

下落液帘断裂产生的自由边缘上的作用力示意如下:惯性ρV 2 H (或ρQV ) 必须大于表面张力2σ, 因为这时的孔不但不增大, 而且能随液体流流走。

其稳定条件是:
ρV 2 H > 2σ或ρQV > 2σ
用元量纲形式表示:
W e > 2
这里W e =ρQV Pσ是用来表示惯性和表面张力之比的韦伯数。

关于液帘断裂的原因, 有人认为边缘效应是关键, 它导致了边导杆附近液帘颈缩变薄, 以致使帘裂开。

为防止液帘局部变薄, 人们提出包括向边缘区域注入传统液体流, 或向边导杆壁面注入液体流的方法。

有人分析施加不同空气压力对短帘的影响, 落帘两侧之间存在的微小差别会改变落帘的轨迹, 并且其影响远大于坡流涂布。

实际上, 气流对落帘的干扰是随意的, 在长帘上的任意部位都可能发生,结果可导致涂层出现不均匀宽带。

为了保护落帘免受支持体运动产生空气滞流层的影响, 有必要制作一个空气屏蔽罩, 把周围环境气流影响降至最低。

还有一类干扰, 包括涂布速度的变化、片基上非均匀的表面能、支持体波动及接头通过等。

这类干扰只影响动态润湿线附近的区域, 不会向上游转移, 落帘并不受损伤。

这种涂布弯月面的干扰恢复能力, 就是落帘涂布常用于涂布不连续材料或空气垫支持的基材的原因。

对支持体上不均匀的静电荷分布, 落帘涂布的均匀性优于坡流涂布。

5 落帘涂布特殊的部件和要求
(1) 以涂布轴圆心的垂直线为中线, 正中为0度; 落帘落在中线上游的弧面为负角, 落在中线下游的弧面为正角。

选择正冲击角, 可供操作优化的宽容度加大, 因此有的落帘涂布机涂布轴下游的一段片路设计成与水平面向下倾斜的小角度。

当然,如按向上倾斜的角度布置片路, 则落帘只宜选择负冲击角(图
7) 。

(2) 边导杆的作用是保持落帘的涂布宽度和稳定。

其上沿与唇口液膜相连,
下沿与支持体尽量减小距离。

有的边导杆以一个平面代替圆棒的弧面;它中间是空的, 平面是可渗水的烧结材料, 用计量原注入溶液, 溶液顺平面流下, 与涂液液帘保持相同流速, 同时其下端有一扁咀骑在片边上, 扁咀下与吸液管连接。

这样既稳定了落帘, 又及时抽吸走补充液与液帘边的混合物, 一定程度上减轻了厚边。

(3) 为了保持落帘稳定和消除空气滞留层对涂布的不利影响, 在落帘冲击点之前设置空气折流板或抽气罩, 图8 为一例:
图8 TSE 公司空气边界层折流板示意
(4) 对落帘涂布的启动系统, 有其特殊要求, 除了前面介绍带收集盘的系统之外, 有以下几种形式:a1 涂布轴和接液槽不移动, 拥有自身辅助部件的涂布咀装在可前后移动的工作台上, 涂液在坡流面上准备好后, 工作台前进到涂布位置, 涂布头锁定。

b1 涂布咀、抽气罩和接液槽固定不动, 涂布轴利用其上游的补偿片路, 以气缸为动力, 使涂布轴到达或离开涂布位置。

c1 涂布轴和涂布咀在固定位置, 溢流槽在涂布轴底下, 在落帘冲击区下, 有一沿弧形轨道上升或下降的软帘, 可在抽气罩与涂布轴弧面之间移动, 与片基的运动连锁, 即准备完毕, 片基起动,软帘下落, 开始涂布; 片基停止运行前, 软帘提前上升, 以引导溢流物料流入接液槽。

d1 还有一种装置, 是涂液坡流流动方向与支持体运行方向相反的, 其辅助设备会有所不同。

它的显著特点是在坡流面上的顶层涂层, 到支持体后变为最下的涂层, 这对采用低粘性、小涂量的载液层技术无疑是有利的。

(5) 厚边去除装置HERD : 由于落帘涂布的厚边问题突出, 所以尽管已用边导杆处理了一次, 还要设此装置。

它一般设置在涂布轴下游未进定型段前, 其结构像一个几公
分宽的三层条缝咀, 但它两边的条缝是注入热水用, 中间较宽的缝和腔体是抽吸混合物的(图9) 。

它架在带滑轨的支架上, 两侧咀距可调。

被处理胶片贴在一真空轴组上, HERD 的扁缝骑在厚边上, 它与片面的距离用千分表调节。

这样一边补充热水, 一边抽吸废液, 将厚边减薄, 又保证扁咀和吸液管不会被胶液凝固。

对于落帘宽度大于支持体宽度的场合。

当然就不需HERD 了, 但此时要增加收集、回收、利用两边流下涂液的系统。

(6) 全幅宽乳剂去除装置ERD : 此装置的作用是在启动阶段, 还没有完全形成均匀涂层前, 去掉全部涂层, 防止因局部不干引起沾轴等问题。

它的结构与HERD 相似, 但体积系个大条缝咀, 设置在距涂布头约5m 的地方(此处涂层还
比较软) ,架在一个真空轴组上方, 不工作时升起, 工作时唇缝下降到2 个辊筒间胶片的谷底, 其前唇比后唇长一点, 工作时起到刮刀作用。

这样, 一边注热水,一边刮, 一边吸, 将全幅涂层处理掉。

6 落帘涂布的可操作性
6．1 涂布窗口
有人分析表明, 当毛细管数Ca →∞时, 可以在雷诺数R e =ρQ Pμ与支持体速度和落帘速度比值U P V 的特性曲线的参考面上画涂布窗口, 因为涂布窗口只依赖于这种二维集合(图10) 。

导致落帘涂布失败的因素有以下几种:
a1 流速低, 落帘破裂。

b1 流速与涂布速度均低, 出现拽拉膜现象。

c1 涂布速度高, 流速相对低, 出现夹杂空气。

d1 流速高, 涂布速度低, 形成踵部。

e1 流速、涂布速度均高, 形成踵部, 也出现
夹杂空气。

6．2 拽拉帘
当流速与涂布速度均低时, 形成帘不是垂直向下, 而是高度弯曲的。

这是因为支持体的粘性阻力使动态接触线下方发生偏移, 迫使帘弯向冲击区。

在一定的流速以下, 把毛细管压力控制在惯性力以上, 帘开始被拉动。

拽拉帘处极不稳定, 流速稍一减小就会使帘破裂。

在帘足够稳定的情况下提高落帘高度, 或降低涂液最底层动态表面张力, 是加宽操作窗口的有效方法。

6．3 夹杂空气
夹杂空气是影响落帘涂布的关键问题之一, 它会限制最大涂布速度。

超过限制速度, 常会看见一些V 形的空气袋和夹杂空气流的条纹。

产生夹杂空气的机
理有2 种假设, 一是薄空气膜夹杂在极限速度以上前进液体和支持体之间, 结合—压力—驱动断裂的不稳定性把空气打成了小气泡; 二是涂布低粘性明胶涂液, 涂液和夹杂空气间的速度差引起的不稳定性。

长帘和低粘性液体在延迟夹杂空气的发作方面是有效的, 剪切变稀涂液有正面作用。

6.4 踵部的形成
流速增加时, 动态接触线与边界面层扩展的距离成比例地向上迁移。

由涡流形成的踵部常常吸收气泡聚集物、凝胶或由变质涂液产生的其它颗粒;此外, 在有明显踵部存在时, 不容易形成笔直的动态润湿线, 它会产生各种样式的条道。

液帘冲击的惯性和动量转移之间的平衡, 控制着动态润湿线位置和踵部的形成。

避免大踵部形成的方法包括增大U P V 和减小R e , 较大的表面张力通过弯月面处增加的压力梯度, 缩短了边界层距离, 同时也减小了踵部。

6.5 带有踵部的夹杂空气
在踵部存在的情况下, 流速高时, 大量的夹杂空气限制了最大涂布速度。

这个区域的夹杂空气似乎引起了液体与支持体之间的滑脱, 形成非常大的踵部。

其机理尚不清楚。

有人认为, 在有踵部的流动区域, 微观润湿机理支配着宏观流体动力。

因此, 象支持体表面能这样的微观参数, 对最大涂布速度是重要的。

有人
试验过, 毛面纸上的最大落帘涂布速度远远高于光面纸, 与坡流涂布中的情况正好相反。

7 应用范围和极限
Hughes (1970) 认为落帘涂布成功的一般条件如下: 速度0.75～10mPs ; 总涂布量为13.8～233.5gPm2 ; 最底层的粘性范围为4～80mpas ; 落帘高度
0.05～0.2m。

时至今日, 世界上几个有名的感光材料生产公司, 都在用
400mPmin 左右的车速稳定生产各种感光材料。

这是坡流涂布方式所不可企及的。

对于纸加工企业来说, 涂布速度的极限这个问题是很重要的, 因为在全世界范围正在广泛努力用落帘涂布来替代刮刀涂布。

已经报告的刮刀涂布纸张的最高速度可达54mPs , 而落帘涂布有望和这个速度相等或超过这个速度。

有资料推荐的落帘涂布应用极限见[表1 ][2 ] :
8 前景
近年来, 通过在全世界范围内各高等院校和工业实验室的研究和改进活动, 落帘涂布已取得进一步的发展。

在很多领域, 它有许多比别的涂布方式更吸引人的地方。

在我国, 对于这项先进技术, 各界有识之士应给予更多的关注与扶持。